1、第一章第一章 超超 声声 波波 检检 测测 吴安如吴安如描述超声波的基本物理量描述超声波的基本物理量 超声波的产生依赖于做高频机械振动的“声源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和波动是超声检测的物理基础。描述超声波波动特性的基本物理量有：声速c、频率f、波长、周期T、角频率。其中频率和周期是由波源决定的，声速与传声介质的特性和波型有关。这些量之间的关系如下：cfT21超声波的特点超声波的特点超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。1)方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性。2）穿透能力强 对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料
2、中，其穿透能力可达数米。3）能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。4）遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。超声波的分类超声波的分类 超声波的分类方法很多，如图1所示。主要有：按介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系分类，即按波型分类；按波振面的形状分类，即按波形分；按振动的持续时间分类等。其中，按波型是研究超声波在介质中传播规律的重要理论依据，将着重讨论。图图 1-1 1-1 超声波的分类超声波的分类 1）超声波的波型 超声波的波型指的是介质质点的振
3、动方向与波的传播方向的关系。按波型可分为纵波、横波、表面波和板波等。（1）纵波。介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用L表示(见图1-2)。介质质点在交变拉压应力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。纵波传播时，介质的质点疏密相间，所以纵波有时又称为压缩波或疏密波。图图1-2 1-2 纵波纵波（2）横波。介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T表示。横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时，产生了切变形变，所以横波又叫做切变波。液体和气体介质不能承受切应力，只有固体介质能够承受切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。
4、（3）表面波（瑞利波）。当超声波在固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波即表面波。瑞利首先对这种波给予了理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波，常用R表示。图1-3 横波表面波表面波（4）板波（兰姆波）。在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波(或兰姆波)。板波传播时声场遍及整个板的厚度。薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合，质点振动的轨迹为一椭圆，在薄板的中间也有超声波传播(见图1-5)。板波按其传播方式又可分为对称型（S型）和非对称型（A型）两种，这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的。图1-5 板波(a)对称型；(b)非对称型 2)超声波的
5、波形 超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述。如图1-6所示，在无限大且各向同性的介质中，振动向各方向传播，用波线表示传播的方向；将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面；某一时刻振动传播到达的距声源最远的各点所连成的面称为波前。在各向同性介质中波线垂直于波阵面。在任何时刻，波前总是距声源最远的一个波阵面。波前只有一个，而波阵面可以有任意多个。图6-6 波线、波前与波阵面(a)平面波；(b)柱面波；(c)球面波 3）连续波与脉冲波 连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频
6、率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。2.1 超声场的物理量超声场的物理量 1)声压 当介质中有超声波传播时，由于介质质点振动，使介质中压强交替变化。超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压，用P表示,即)Pa(01PPP 2）声阻抗 介质中某一点的声压幅值Pm与该处质点振动速度幅值Vm之比，称为声阻抗，常用Z表示。在同一声压下，声阻抗Z愈大，质点的振动速度就愈小。声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。cVPZmm 3）声强 单位时间内垂直通过单位面积的声能，称为声强，用I表示。对于平
7、面纵波，其声强I为ZPZVcAI2m2m22212121 4）分贝的概念 实际探伤中，将声强I1与I2之比取对数的10倍得到二者相差的数量级，这时单位为分贝，用dB表示，即)dB(lg1021II m2m121lg20lg10PPII 2.2 介质的声参量介质的声参量 1）声速 声速表示声波在介质中传播的速度，它与超声波的波型有关，但更依赖于传声介质自身的特性。因此，声速又是一个表征介质声学特性的参量。了解受检材料的声速，对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义。声速又可分为相速度和群速度。相速度是指声波传播到介质的某一选定相位点时在传播方向上的声速。群速度是指传播声波的包络上具有某种特征（如幅
8、值最大）的点上沿传播方向上的声速。群速度是波群的能量传播速度。（1）纵波、横波和表面波的声速。纵波、横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质、密度和泊松比决定的，而与频率无关，即它们各自的相速度和群速度相同，因此一般说到它们的声速都是指相速度。不同材料声速值有较大的差异。在给定的材料中，频率越高，波长越短。同一固体介质中，纵波声速c1大于横波声速cs，横波声速cs又大于瑞利波声速cr。对于钢材，c1 1.8cs，cs1.1cr。（2）板波的声速。板波的声速与其他波型不同，其相速度随频率变化而变化。相速度随频率变化而变化的现象被称为频散。3.1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射超声波垂直入射
9、到平界面上的反射和透射 如图1-7所示，当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第二种介质，成为透射波(声强为It)，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波(声强为Ir)。声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础。图6-7 超声波垂直入射于平界面的反射与透射 通常将反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r，将透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t。可以证明，r和t的数学表达式为：12120rZZZZppr1220t2ZZZppt式中：Z1为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗。3.2 超声波垂直入射到多层界
10、面上时的反射和透射超声波垂直入射到多层界面上时的反射和透射 在超声检测中经常遇到超声波进入第二种介质后，穿过第二种介质再进入第三种介质的情况。如图1-8所示，当超声波从介质1（声阻抗为Z1）中垂直入射到介质1和介质2（声阻抗为Z2）的界面上时，一部分声能被反射，另一部分透射到介质2中；当透射的声波到达介质2和介质3（声阻抗为Z3）的界面时，再次发生反射与透射，其反射波部分在介质2中传播至介质2与介质1的界面，则又会发生同样的过程。如此不断地继续下去，则在两个界面的两侧，产生一系列的反射波与透射波。图1-8 在两个界面上的反射和透射 3.3 超声波倾斜入射到平界面上的反射、超声波倾斜入射到平界面
11、上的反射、折射和波型变换折射和波型变换 当超声波相对于界面入射点法线以一定的角度倾斜入射到两种不同介质的界面上时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象，见图1-9。入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。图1-9 超声波倾斜入射到平界面上的反射、折射和波型变换(a)纵波入射；(b)横波入射 1)反射 如图1-9（a）所示，当纵波以入射角L倾斜入射到异质界面上时，将会在介质1中于入射点法线的另一侧产生与法线成一定夹角L的反射纵波。反射波与入射点法线之间的夹角称为反射角。入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律，即L=L。与光的反射不同的是，当介质1为固体时，界面上既产生反射纵波，同
12、时又发生波型转换并产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波两种波型。这时，横波反射角S与纵波入射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同，为 S1sL1Lsinsincc若入射声波为横波，也会产生同样的现象，见图1-9（b)，这时横波入射角S与横波反射角S相等。介质1为固体时纵波反射角与横波入射角之间的关系为 L1LS1Ssinsincc由于固体中纵波声速总是大于横波声速，因此，无论是纵波入射还是横波入射，均有。当介质1为液体或气体时，则入射波和反射波只能为纵波。SL 2）折射 当两种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。不论是纵波入射还是横波入射，只要介质2为固体，则介质
13、2中除有与入射波相同波型的折射波外，均可因在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。这时，介质2中可能同时存在纵波与横波(见图1-9)。折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律。折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此纵波折射角L要大于横波折射角S。3）临界角 当第二种介质中的折射波型的声速比第一种介质中入射波型的声速大时，折射角大于入射角。此时，存在一个临界入射角，在这个角度下，折射角等于90。大于这一角度时，第二种介质中不再有相应波型的折射波。(1)第一临界角。当入射波为纵波，且cL2cL1时，使纵波折射角达到90的纵波入射
14、角称为第一临界角，用符号表示。当纵波入射角大于第一临界角时，第二介质中不再有折射纵波。(2)第二临界角。当入射波为纵波，第二介质为固体，且cS2cL1时，使横波折射角达到90的纵波入射角为第二临界角，用符号表示。通常在超声检测中，临界角主要应用于第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的情况。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波，对试件进行检测。图图1-10 1-10 圆盘声源声场指向性示意图圆盘声源声场指向性示意图图图1-11 1-11 圆盘声源非扩散区示意图圆盘声源非扩散区示意图 规则反射体回波声压 超声检测用于发现材料中缺陷的最常用
15、的技术是脉冲反射法，是根据接收到的反射波的位置、幅度等信息判断材料内部存在缺陷的情况。因此，研究声场中存在反射界面时反射波的声压对于缺陷的检出和缺陷的评价是十分重要的。实际中总是结合圆盘声源声场规律，讨论在圆盘声场远场中，介质衰减可以忽略且界面声压反射率为1时，不同形状反射体反射声压的变化规律。由于实际缺陷形状是各种各样的，甚至可能是不规则的，在进行理论分析时，采用几种简化的规则形状模型来进行计算。有些形状可在试样上人工制作，从而可作为人工模拟反射体，用于仪器的调整和缺陷的评价。规则形状反射体主要包括大平面、圆形或方形平面、球形反射体和圆柱形反射体。具体的规则反射体回波声压公式可查阅有关资料。
16、当对实际缺陷大小进行计算时，往往得到的是该缺陷相当于多大的规则反射体，把这个大小称为缺陷的当量尺寸。2.1 超声检测设备和器材超声检测设备和器材 超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。由这些设备组成一个综合的超声检测系统，系统的总体性能不仅受到各个分设备的影响，还在很大程度上取决于它们之间的配合。随着工业生产自动化程度的提高，对检测的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工检测越来越多地被自动检测系统取代。1)超声波检测仪 超声波检测仪是
17、超声检测的主体设备，是专门用于超声检测的一种电子仪器。(1)超声波检测仪的作用。它的作用是产生电振荡并加于换能器探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。图图2-1A2-1A型显示原理图型显示原理图图图2-2 B2-2 B型显示原理图型显示原理图图图2-3 C2-3 C型显示原理图型显示原理图 2)超声波探头超声波探头 （1）超声波探头的作用。超声波探头用于实现声能和电能的互相转换。它是利用压电晶体的正、逆压电效应进行换能的。探头是组成检测系统的最重要的组件，其性能的好坏直接影响超声检测的效果。（2
18、）常用超声波探头的类型。超声波检测中由于被探测工件的形状和材质、探测的目的、探测的条件不同，因而要使用各种不同形式的探头。其中最常用的是接触式接触式纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探头、水浸探头与纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探头、水浸探头与聚焦探头等聚焦探头等。一般横波斜探头的晶片为方形，纵波直探头的晶片为圆形，而聚焦声源的圆形晶片为声透镜。所以声场就有圆盘源声场、聚焦声源声场和斜探头发射的横波声场。图2-4为一组探头的图片。图2-4各种探头(a)纵波直探头；(b)横波斜探头；(c)双晶探头 3）试块与耦合剂 与一般的测量过程一样，为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个具
19、有已知固定特性的试样(试块)对检测系统进行校准。这种按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件即称为试块。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块(校准试块)和对比试块(参考试块)。当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。因此，排除探头和试件之间的空气非常重要。耦合剂就是为了改善探头和试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。在液浸法
20、检测中，通过液体实现耦合，此时液体也是耦合剂。常用的耦合剂有水、甘油、变压器油、化学浆糊等。2.超声检测方法超声检测方法 超声检测的方法很多，可按原理、波型和使用探头的数目及探头接触方式来分类。按原理分类，有脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式分类，有有A A型显示、型显示、B B型显示和型显示和C C型显示；按波型型显示；按波型分类，有纵波法、横波法、表面波法和板波法；分类，有纵波法、横波法、表面波法和板波法；按探头数目分类，有单探头法、双探头法和多探按探头数目分类，有单探头法、双探头法和多探头法；按耦合方式分类，有接触法和液浸法；按头法；按耦合方式分类，有接触法和液浸法；按入射角度分类，
21、有直射声束法和斜射声束法。入射角度分类，有直射声束法和斜射声束法。1）穿透法 穿透法通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的脉冲信号，依据脉冲波穿透试件后幅值的变化来判断内部缺陷的情况(见图2-5)。图图2-5 2-5 直射声束穿透法直射声束穿透法 2）脉冲反射法 脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲波到试件内部，通过观察来自内部缺陷或试件底面的反射波的情况来对试件进行检测的方法。图2-6 显示了接触法单探头直射声束脉冲反射法的基本原理。图图2-6 2-6 接触法单探头直射声束脉冲反射法接触法单探头直射声束脉冲反射法 1）锻件检测 锻件的种类和规格很多
22、，常见的类型有：饼盘件、环形件、轴类件和筒形件等。锻件中的缺陷多呈现面积形或长条形的特征。由于超声检测技术对面积型缺陷检测最为有利，因此锻件是超声检测实际应用的主要对象。锻件中的常见缺陷。锻件中的缺陷主要来源于两个方面：材料锻造过程中形成的缩孔、缩松、夹杂及偏析等；热处理中产生的白点、裂纹和晶粒粗大等。图图3-1 3-1 轴类件径向和轴向检测示意图轴类件径向和轴向检测示意图 2)铸件检测 铸件具有组织不均匀、组织不致密、表面粗糙和形状复杂等特点，因此常见缺陷有孔洞类（包括缩孔、缩松、疏松、气孔等）、裂纹冷隔类（冷裂、热裂、白带、冷隔和热处理裂纹）、夹杂类以及成分类（如偏析）等。铸件的上述特点，
23、形成了铸件超声检测的特殊性和局限性。检测时一般选用较低的超声频率，如0.52 MHz，因此检测灵敏度也低，杂波干扰严重，缺陷检测要求较低。铸件检测常采用的超声检测方法有直接接触法、液浸法、反射法和底波衰减法。3)焊接接头检测 许多金属结构件都采用焊接的方法制造。超声检测是对焊接接头质量进行评价的重要检测手段之一。焊缝形式有对接、搭接、T型接、角接等，如图3-2所示。焊缝超声检测的常见缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等。焊缝探伤一般采用斜射横波接触法，在焊缝两侧进行扫查。探头频率通常为2.55.0 MHz。发现缺陷后，即可采用三角法对其进行定位计算。仪器灵敏度的调整和探头性能测试应在相应的标准试块或自制试块上进行。图6-25 焊接接头形式(a)对接接头；(b)搭接接头；(c)T型接头；(d)角接接头 4）复合材料检测 复合材料是由两种或多种性质不同的材料轧制或粘合在一起制成的。其粘合质量的检测主要有接触式脉冲反射法、脉冲穿透法和共振法。脉冲反射法适用于复合材料是由两层材料复合而成，粘合层中的分层多数与板材表面平行的情况。用纵波检测时，粘合质量好的，产生的界面波会很低，而底波幅度会较高；当粘合不良时，则相反。
